工程材料性能與選用原則知識考點

工程材料功能與選用原則知識考點姓名_________________________地址_______________________________學號______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------線--------------------------1.請首先在試卷的標封處填寫您的姓名，身份證號和地址名稱。2.請仔細閱讀各種題目，在規(guī)定的位置填寫您的答案。一、選擇題1.以下哪項不屬于工程材料的力學功能？

A.強度

B.硬度

C.硬化

D.韌性

2.下列哪種材料屬于非金屬材料？

A.鋼筋

B.鋁合金

C.玻璃

D.不銹鋼

3.工程材料按化學成分分類，以下哪一項不屬于金屬材料的范疇？

A.鐵合金

B.鈦合金

C.鈦金屬

D.鋼鐵

4.下列哪種材料具有良好的耐腐蝕功能？

A.鋁合金

B.鋼筋

C.不銹鋼

D.銅合金

5.工程材料在高溫下仍能保持其功能，這種功能稱為：

A.耐熱性

B.耐腐蝕性

C.韌性

D.硬度

6.下列哪種材料適用于高溫高壓環(huán)境？

A.碳鋼

B.不銹鋼

C.鋁合金

D.玻璃

7.下列哪種材料具有良好的耐磨性？

A.鋼筋

B.鋁合金

C.不銹鋼

D.玻璃

8.工程材料按用途分類，以下哪一項不屬于建筑材料？

A.鋼筋

B.混凝土

C.玻璃

D.電纜

答案及解題思路：

1.答案：C

解題思路：工程材料的力學功能包括強度、硬度和韌性，而硬化是材料在加工過程中的一種現(xiàn)象，不屬于力學功能。

2.答案：C

解題思路：鋼筋、鋁合金和不銹鋼都是金屬材料，而玻璃是非金屬材料，具有良好的耐熱性和透明性。

3.答案：D

解題思路：鐵合金、鈦合金和鈦金屬都屬于金屬材料，而鋼鐵是鐵合金的一種，因此不屬于金屬材料的范疇。

4.答案：C

解題思路：不銹鋼具有良好的耐腐蝕功能，常用于化工、食品加工等行業(yè)；鋁合金和銅合金也有一定的耐腐蝕性，但不如不銹鋼。

5.答案：A

解題思路：耐熱性是指材料在高溫下仍能保持其功能的能力，與耐腐蝕性、韌性和硬度不同。

6.答案：B

解題思路：不銹鋼具有良好的耐高溫、耐腐蝕功能，適用于高溫高壓環(huán)境；碳鋼和鋁合金在高溫下易氧化，玻璃不耐高溫。

7.答案：C

解題思路：不銹鋼具有良好的耐磨性，常用于刀具、模具等；鋼筋、鋁合金和玻璃的耐磨性相對較差。

8.答案：D

解題思路：鋼筋、混凝土和玻璃都是建筑材料，而電纜屬于電工材料，不屬于建筑材料。二、填空題1.工程材料的力學功能主要包括強度、塑性、硬度、韌性等。

2.工程材料按化學成分分類，主要分為金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料等。

3.工程材料按用途分類，主要分為結(jié)構(gòu)材料、功能材料、復合材料等。

4.工程材料在高溫下仍能保持其功能，這種功能稱為高溫功能。

5.工程材料具有良好的耐腐蝕功能，適用于海洋、化工等環(huán)境。

6.工程材料在高溫高壓環(huán)境下仍能保持其功能，適用于鍋爐、壓力容器等環(huán)境。

7.工程材料具有良好的耐磨性，適用于磨損較大的場合。

8.工程材料按力學功能分類，主要包括塑性材料、彈性材料、脆性材料、超塑性材料等。

答案及解題思路：

1.答案：強度、塑性、硬度、韌性

解題思路：力學功能是評價材料在受力狀態(tài)下的表現(xiàn)，強度指材料抵抗變形和斷裂的能力，塑性指材料在受力后發(fā)生永久變形的能力，硬度指材料抵抗局部變形的能力，韌性指材料在斷裂前吸收能量的能力。

2.答案：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料

解題思路：化學成分是材料分類的基礎，金屬材料以金屬元素為主，無機非金屬材料包括陶瓷、玻璃等，有機高分子材料包括塑料、橡膠等。

3.答案：結(jié)構(gòu)材料、功能材料、復合材料

解題思路：用途分類是根據(jù)材料在工程中的應用來劃分，結(jié)構(gòu)材料主要承擔承重作用，功能材料具有特定的功能，如導電、導熱等，復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組成。

4.答案：高溫功能

解題思路：高溫功能是指材料在高溫環(huán)境下仍能保持其原有功能的能力，這對于高溫設備或環(huán)境中的材料。

5.答案：海洋、化工等環(huán)境

解題思路：耐腐蝕功能是指材料抵抗腐蝕介質(zhì)侵蝕的能力，海洋和化工環(huán)境具有強腐蝕性，因此需要耐腐蝕功能好的材料。

6.答案：鍋爐、壓力容器等環(huán)境

解題思路：高溫高壓環(huán)境對材料的功能要求極高，鍋爐和壓力容器等設備需要材料在高溫高壓下仍能保持其結(jié)構(gòu)完整性和功能。

7.答案：磨損較大的場合

解題思路：耐磨性是指材料抵抗磨損的能力，適用于那些需要承受較大磨損的場合，如機械部件、工具等。

8.答案：塑性材料、彈性材料、脆性材料、超塑性材料

解題思路：力學功能分類是根據(jù)材料在受力后的變形和斷裂行為來劃分，塑性材料具有較好的變形能力，彈性材料在受力后能恢復原狀，脆性材料易斷裂，超塑性材料在特定條件下具有極高的延展性。三、判斷題1.工程材料的力學功能主要包括強度、硬度、韌性、彈性等。（√）

解題思路：工程材料的力學功能是指材料在受到外力作用時的表現(xiàn)，包括抵抗破壞的能力和在外力作用下變形與恢復的能力。強度、硬度、韌性和彈性都是衡量材料力學功能的重要指標。

2.工程材料按化學成分分類，主要分為金屬材料、非金屬材料、復合材料等。（√）

解題思路：工程材料的分類通常根據(jù)其化學成分進行，包括金屬、非金屬和由兩種或多種不同材料復合而成的復合材料。

3.工程材料按用途分類，主要分為結(jié)構(gòu)材料、功能材料、裝飾材料等。（√）

解題思路：工程材料根據(jù)其在工程中的應用目的不同，可以分為結(jié)構(gòu)材料（主要用于承載）、功能材料（具有特殊功能，如導電、磁性等）和裝飾材料（主要用于外觀美化）。

4.工程材料在高溫下仍能保持其功能，這種功能稱為耐熱性。（√）

解題思路：耐熱性是指材料在高溫環(huán)境下能夠保持其物理和化學性質(zhì)不發(fā)生變化的能力。

5.工程材料具有良好的耐腐蝕功能，適用于海洋、化工、石油等環(huán)境。（√）

解題思路：耐腐蝕功能是指材料在腐蝕性環(huán)境中抵抗化學腐蝕的能力，海洋、化工和石油環(huán)境均具有腐蝕性強，因此要求材料具有良好的耐腐蝕性。

6.工程材料在高溫高壓環(huán)境下仍能保持其功能，適用于鍋爐、壓力容器等設備。（√）

解題思路：高溫高壓環(huán)境下的材料功能保持是指材料在這些極端條件下仍能保持其結(jié)構(gòu)完整和功能穩(wěn)定，適用于鍋爐、壓力容器等設備。

7.工程材料具有良好的耐磨性，適用于機械、礦山、汽車等場合。（√）

解題思路：耐磨性是指材料在摩擦過程中抵抗磨損的能力，機械、礦山和汽車等場合對材料的耐磨性要求較高。

8.工程材料按力學功能分類，主要包括強度、硬度、韌性、彈性等。（√）

解題思路：力學功能分類主要關(guān)注材料的物理力學特性，強度、硬度、韌性和彈性是其中最重要的功能指標。四、簡答題1.簡述工程材料力學功能的主要指標及其含義。

解答：

工程材料的力學功能主要指標包括：強度、彈性模量、韌性、硬度、疲勞強度等。這些指標反映了材料在外力作用下的抵抗變形和破壞的能力。

強度：指材料在受到外力作用時，抵抗破壞的能力。

彈性模量：指材料在受到外力作用時，形變量與外力之比，反映材料的剛度。

韌性：指材料在斷裂前能夠吸收的能量，反映材料的韌性。

硬度：指材料抵抗壓入或劃傷的能力。

疲勞強度：指材料在交變應力作用下，不發(fā)生疲勞破壞的最大應力。

2.簡述工程材料按化學成分分類的幾種類型及其特點。

解答：

工程材料按化學成分分類主要分為以下幾類：

金屬材料：具有良好的導電性、導熱性和可塑性，分為純金屬和合金兩大類。

非金屬材料：如陶瓷、塑料、橡膠等，具有較好的絕緣性和耐磨性。

復合材料：由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組合而成，具有優(yōu)良的綜合功能。

幾種特點：金屬材料具有良好的加工性和力學功能；非金屬材料具有較好的耐腐蝕性和絕緣性；復合材料具有優(yōu)良的綜合功能。

3.簡述工程材料按用途分類的幾種類型及其應用領(lǐng)域。

解答：

工程材料按用途分類主要包括以下幾類：

結(jié)構(gòu)材料：如鋼、鋁合金等，主要用于建筑、機械制造等領(lǐng)域。

功能材料：如半導體材料、磁性材料等，主要用于電子、光電子等領(lǐng)域。

熱工材料：如耐火材料、隔熱材料等，主要用于高溫、高壓環(huán)境。

幾種應用領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)材料廣泛應用于建筑、汽車、船舶等工程領(lǐng)域；功能材料在電子、通信、計算機等領(lǐng)域應用廣泛；熱工材料在核電站、化工等領(lǐng)域應用廣泛。

4.簡述工程材料在高溫、高壓、腐蝕等環(huán)境下應具備的功能要求。

解答：

工程材料在高溫、高壓、腐蝕等環(huán)境下應具備以下功能要求：

高溫功能：具有較低的導熱系數(shù)、較高的抗氧化性、耐高溫功能。

高壓功能：具有較好的密封功能、抗壓強度。

腐蝕功能：具有良好的耐腐蝕功能、抗氧化性。

5.簡述工程材料在選用時應遵循的原則。

解答：

工程材料在選用時應遵循以下原則：

符合設計要求：選用材料應滿足工程設計和使用要求。

功能匹配：材料功能與工程結(jié)構(gòu)功能相匹配。

成本效益：綜合考慮材料成本和使用壽命，保證經(jīng)濟合理。

安全可靠：選用材料應保證工程的安全性和可靠性。五、論述題1.論述工程材料力學功能與選用原則的關(guān)系。

解題思路：

簡述力學功能在工程材料選用中的重要性；

分析力學功能（如強度、韌性、剛度等）與選用原則（如安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)要求等）的關(guān)聯(lián)；

結(jié)合具體工程案例，說明如何根據(jù)力學功能選用合適的材料。

答案：

工程材料的力學功能直接影響到其承載能力、使用壽命和結(jié)構(gòu)安全性。在工程材料選用過程中，力學功能是評估材料是否滿足工程要求的重要指標。選用原則主要包括考慮安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)要求等因素。力學功能與選用原則的關(guān)系主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）根據(jù)力學功能評估材料的安全功能。材料的強度、韌性、剛度等力學功能直接影響其承載能力和安全性。選用時，需保證材料的力學功能滿足結(jié)構(gòu)要求，避免因材料功能不足而導致結(jié)構(gòu)破壞。

（2）結(jié)合力學功能優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計。力學功能良好的材料可以減少結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)效率。在設計過程中，應根據(jù)力學功能調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和材料種類，以達到最佳結(jié)構(gòu)功能。

（3）遵循力學功能選用原則，降低工程風險。在實際工程中，應根據(jù)力學功能與選用原則，合理配置材料，保證工程安全可靠。

2.論述工程材料在高溫、高壓、腐蝕等環(huán)境下應具備的功能要求及其在實際工程中的應用。

解題思路：

分析高溫、高壓、腐蝕等特殊環(huán)境下對工程材料功能的要求；

結(jié)合具體工程案例，闡述這些功能要求在實際工程中的應用。

答案：

在高溫、高壓、腐蝕等特殊環(huán)境下，工程材料應具備以下功能要求：

（1）高溫環(huán)境下，材料應具有良好的耐熱功能，包括高溫強度、熱穩(wěn)定性、抗氧化功能等。例如高溫爐襯材料需選用耐熱功能優(yōu)良的陶瓷、高溫合金等。

（2）高壓環(huán)境下，材料應具有良好的耐壓功能，包括強度、韌性、硬度等。例如高壓容器、管道等設備選用高強度鋼、鋁合金等。

（3）腐蝕環(huán)境下，材料應具有良好的耐腐蝕功能，包括耐酸、堿、鹽、氧化劑等。例如化工設備選用不銹鋼、鎳基合金等。

實際工程中，根據(jù)特殊環(huán)境對材料功能的要求，可選用以下材料：

（1）高溫環(huán)境：耐熱合金、陶瓷、高溫不銹鋼等。

（2）高壓環(huán)境：高強度鋼、鋁合金、鈦合金等。

（3）腐蝕環(huán)境：不銹鋼、鎳基合金、鈦合金等。

3.論述工程材料在選用時應遵循的原則及其在實際工程中的應用。

解題思路：

總結(jié)工程材料選用時應遵循的原則；

分析這些原則在實際工程中的應用案例。

答案：

工程材料選用時應遵循以下原則：

（1）適用性原則：根據(jù)工程特點和功能需求，選用功能符合要求的材料。

（2）經(jīng)濟性原則：在保證工程質(zhì)量和安全的前提下，盡量降低材料成本。

（3）環(huán)保性原則：選用環(huán)保材料，減少環(huán)境污染。

（4）可維護性原則：考慮材料的可維護性，便于后期維修和更換。

在實際工程中，遵循這些原則可以保證工程質(zhì)量和經(jīng)濟效益：

（1）適用性原則：例如在建筑領(lǐng)域，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點和功能需求，選用合適的混凝土、鋼材、木材等。

（2）經(jīng)濟性原則：例如在道路建設中，根據(jù)成本和功能要求，選擇合適的瀝青材料。

（3）環(huán)保性原則：例如在環(huán)保設備制造中，選用環(huán)保材料，降低對環(huán)境的影響。

（4）可維護性原則：例如在設備選型中，考慮材料的可維護性，便于后期維修。六、計算題1.一根直徑為10mm的鋼筋，其屈服強度為350MPa，求其最大承載能力。

解題步驟：

首先計算鋼筋的截面積，公式為A=π/4d2，其中d是直徑。

然后用屈服強度乘以截面積得到最大承載能力，公式為P_max=f_yA。

解答：

直徑d=10mm=0.01m

截面積A=π/4(0.01m)2=π/40.0001m2

最大承載能力P_max=350MPaπ/40.0001m2

P_max=35010^6Paπ/40.0001m2

P_max=87.5π10^3N

2.一根長為2m、直徑為20mm的圓鋼，其彈性模量為200GPa，求其在軸向拉伸時的彈性變形量。

解題步驟：

首先計算圓鋼的截面積。

然后應用胡克定律，彈性變形量δ=(FL)/(AE)，其中F是作用力，L是長度，A是截面積，E是彈性模量。

解答：

直徑d=20mm=0.02m

截面積A=π/4(0.02m)2=π/40.0004m2

彈性變形量δ=(F2m)/(π/40.0004m220010^9Pa)

δ=(F2)/(π0.000420010^9)

δ=1/(π0.000420010^9)F

δ=0.00000005F

3.某建筑結(jié)構(gòu)中，采用Q235鋼制作梁，其截面尺寸為100mm×200mm，求其承載能力。

解題步驟：

計算梁的截面積。

假設已知梁的屈服強度，計算最大承載能力。

解答：

截面積A=100mm200mm=0.1m0.2m=0.02m2

假設屈服強度f_y=235MPa

承載能力P_max=f_yA

P_max=23510^6Pa0.02m2

P_max=4.710^4N

4.一根長為1m、直徑為40mm的圓管，其材料密度為7.85g/cm3，求其質(zhì)量。

解題步驟：

計算圓管的體積。

應用密度公式，質(zhì)量=密度體積。

解答：

直徑d=40mm=0.04m

體積V=π(0.04m)21m=π0.0016m3

質(zhì)量m=7.85g/cm3π0.0016m3

質(zhì)量m=7.8510^3kg/m3π0.0016m3

質(zhì)量m=3.93610^2kg

5.一根長為2m、直徑為50mm的圓軸，其材料彈性模量為210GPa，求其在扭轉(zhuǎn)時的最大扭矩。

解題步驟：

計算圓軸的極慣性矩。

應用扭轉(zhuǎn)公式，最大扭矩T_max=(GJδ)/L，其中G是剪切模量，J是極慣性矩，δ是扭矩引起的角變形，L是長度。

解答：

直徑d=50mm=0.05m

極慣性矩J=(πd^4)/32=π(0.05m)^4/32

剪切模量G=0.5E=0.521010^9Pa

最大扭矩T_max=(GJδ)/L

δ=(T_maxL)/(GJ)

δ=(T_max2m)/(0.521010^9Paπ(0.05m)^4/32)

T_max=(GJδ)/L

T_max=(0.521010^9Paπ(0.05m)^4/32)(T_max2m)/(0.521010^9Paπ(0.05m)^4/32)

T_max=(π(0.05m)^42m)/32

T_max=π0.000625m^42m/32

T_max=0.000098πN·m

答案及解題思路：

1.答案：P_max=87.5π10^3N

解題思路：利用屈服強度和鋼筋截面積計算最大承載能力。

2.答案：δ=0.00000005F

解題思路：應用胡克定律計算彈性變形量。

3.答案：P_max=4.710^4N

解題思路：利用梁的截面面積和屈服強度計算承載能力。

4.答案：m=3.93610^2kg

解題思路：利用密度和圓管體積計算質(zhì)量。

5.答案：T_max=0.000098πN·m

解題思路：利用扭轉(zhuǎn)公式和極慣性矩計算最大扭矩。七、案例分析題1.某橋梁工程，由于材料選用不當導致橋梁出現(xiàn)裂縫，分析原因并給出改進措施。

案例描述：

在某橋梁工程中，施工方在選用橋梁主梁的材料時，未嚴格按照設計要求進行材料的選擇，導致橋梁在使用過程中出現(xiàn)了多條裂縫。

分析原因：

（1）材料強度不足：選用的鋼材強度低于設計要求，導致在承受荷載時，材料無法達到設計強度，從而產(chǎn)生裂縫。

（2）材料耐久性差：選用的鋼材耐腐蝕功能不佳，長期暴露在外部環(huán)境中，導致鋼材腐蝕，進而出現(xiàn)裂縫。

（3）施工工藝不當：施工過程中，未按照規(guī)范進行焊接和防腐處理，導致焊接質(zhì)量不高，防腐措施不完善。

改進措施：

（1）選用符合設計要求的鋼材，保證材料強度滿足荷載需求。

（2）選擇耐腐蝕功能優(yōu)良的鋼材，延長橋梁使用壽命。

（3）嚴格按照施工規(guī)范進行焊接和防腐處理，提高施工質(zhì)量。

2.某建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)變形，分析原因并給出解決方案。

案例描述：

某建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中，部分區(qū)域出現(xiàn)明顯的變形現(xiàn)象，影響建筑物的使用和美觀。

分析原因：

（1）地基不均勻沉降：地基承載能力不均勻，導致建筑物不同區(qū)域沉降不一致，從而引起結(jié)構(gòu)變形。

（2）材料熱脹冷縮：建筑結(jié)構(gòu)使用的材料在溫度變化時會產(chǎn)生熱脹冷縮，若材料功能不佳，則可能導致結(jié)構(gòu)變形。

（3）設計不合理：建筑結(jié)構(gòu)設計時，未充分考慮材料功能和荷載情況，導致結(jié)構(gòu)無法滿足實際使用需求。

解決方案：

（1）對地基進行處理，提高地基承載能力，保證建筑物均勻沉降。

（2）選用具有良好熱膨脹系數(shù)的材料，減少材料熱脹冷縮對結(jié)構(gòu)的影響。

（3）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，保證設計合理，滿足實際使用需求。

3.某化工設備在運行過程中出現(xiàn)泄漏，分析原因并給出改進措施。

案例描述：

某化工設備在運行過程中，發(fā)覺存在泄漏現(xiàn)象，嚴重影響了設備的正常運行。

分析原因：

（1）設備密封性不佳：設備在加工或安裝過程中，密封面未能達到設計要求，導致泄漏。

（2）材料耐腐蝕性差：化工設備使用的材料不耐腐蝕，長期暴露在腐蝕性介質(zhì)中，導致材料功能下降，從而產(chǎn)生泄漏。

（3）設備老化：設備長期運行，導致部件磨損，密封功能下降，進而產(chǎn)生泄漏。

改進措施：

（1）加強設備加工和安裝過程中的質(zhì)量控制，保證密封面質(zhì)量。

（2）選用耐腐蝕功能優(yōu)良的材料，提高設備的耐腐蝕性。

（3）定期檢查設備，發(fā)覺磨損部件及時更換，保證設備密封功能。

4.某礦山設備在使用過程中出現(xiàn)磨損，分析原因并給出解決方案。

案例描述：

某礦山設備在使用過程中，發(fā)覺設備關(guān)鍵部件出現(xiàn)嚴重磨損現(xiàn)象，影響設備正常運行。

分析原因：

（1）磨損材料硬度不夠：礦山設備使用的材料硬度不足，無法承受長時間高強度的磨損。

（2）磨損環(huán)境惡劣：礦山設備在惡劣的環(huán)境中運行，如高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)等，導致材料功能下降。

（3）磨損形式不合理：礦山設備在設計時，未充分考慮磨損形式，導致設備在運行過程中易發(fā)生磨損。

解決方案：

（1）選用硬度更高、耐磨性更強的材料，提高設備的抗磨損功能。

（2）改善礦山設備的運行環(huán)境，降低腐蝕性介質(zhì)的影響。

（3）優(yōu)化礦山設備的設計，采用合理的磨損形式，降低磨損程度。

5.某汽車零部件在使用過程中出現(xiàn)斷裂，分析原因并給出改進措施。